Chương 1. Trình bày về cơ chế tương tác bức xạ gamma trong vật chất là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp. Lý thuyết về phương pháp gamma truyền qua và tính sai số của phép đo. Trình bày về chương trình mô phỏng Monte Carlo.
Trong chương này, trình bày về cách khai báo nguồn. chương trình Colegram. xử lý mô phỏng. Kết quả và thảo luận.
Trình bày kết quả xử lý với hai kích thước là gỗ dạng hình hộp chữ nhật và gỗ hình trụ tròn có cùng bê dày là 5 em. Đánh giá vả so sánh kết quả, xây dựng đường chuẩn mô phỏng với hai mẫu gỗ, độ tin cậy phép đo. Ứng dụng của phép đo trong thực tế. Tông quan về bức xạ gamma tương tác với vật chất Trong chương này, trình bày các cơ chế tương tác bức xạ gamma với vật chất dé khảo sát các bài toán nghiên cứu và ứng dụng vật lý hạt nhân trong công nghiệp.
môi trường và lĩnh vực kinh tế. Tương tác của bức xạ gamma với môi trường vật chất sẽ khác nhau với mỗi mức năng lượng. Tia gamma tương tác với môi trường chủ yếu là tương tác điện từ. Bức xạ gamma không mang điện nên không chịu ảnh hưởng của trưởng Coulomb và nó chỉ tương tác với electron trong vùng có bán kính khoảng 10 !! m.
Cường độ của chùm tia gamma giảm dan do hap thụ hay tán xạ với vật chất. Bức xạ gamma là bức xạ điện từ có bước sóng cực ngắn, với bước sóng thấp nhật khoảng 10 -!? m và có khả năng ion hóa mạnh trong môi trường vật chất. Trên Trái Dat bức xạ gamma thường được sinh ra bởi sự phân rã của các hạt nhân không bên và các bức xạ thứ cấp từ các tương tác của các hạt trong tia vũ trụ. Các hiệu ứng của bức xạ đi qua môi trường vật chất là tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp.
hiệu ứng quang điện. Ngoài ra, chương | trình bày quy luật suy giảm cường độ bức xạ gamma trong môi trường vật chất. Bức xạ ion hóa đi vào trong vật chất sẽ truyền năng lượng, kích thích và ion nguyên tử xung quanh. Kích thích là quá trình nguyên tử hấp thụ năng lượng và chuyển lên trạng thái kích thích.
O trạng thái nguyên tử, phân tử phát ra photon năng lượng, bức xạ nhiệt hay phan ứng hóa học đề trở lại trạng thái cơ bản. Quá trình nguyên tử, phân tử bị kích thích thì không có electron nào bị bức ra khỏi nguyên tử, phân tử. lon hóa là quá trình electron bị bức ra khỏi nguyên tử, phân tử do nó nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết với nguyên tử, phân tử. Quá trình ion hóa tạo ra một cặp ion là ion âm (electron thoát ra) và ion đương (phan còn lại của nguyên tử, phân tr).
Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là dang tương tác phô biến khi năng lượng của tia gamma có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết clectron nguyên tử với hạt nhân. Tia gamma tương tác với electron phá vỡ liên kết của nó và nguyên tử, năng lượng của nó truyền cho electron và nguyên tử bị kích thích. Các electron sẽ hap thụ hoàn toàn năng lượng photon đến đẻ phá vỡ năng lượng liên kết và thoát ra khỏi về bề mặt kim loại với động năng cực đại. Albert Einstein dựa vào lý thuyết lượng tử ánh sáng của Max Planck đã giải thích thành công hiệu ứng quang điện.
Năng lượng của photon tới ít nhất phải bằng năng lượng lượng liên kết electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Hiệu ứng quang điện không xảy ra với electron tự đo. © Electron thoát ra hd Hình 1. Hiệu ứng quang điện 1.
Tán xạ Compton Electron tin xg ® .2 Tan xa Compton Tan xạ Compton là hiện tượng tin xạ đản hoi giữa photon va electron tự đo. Khi xảy ra tán xạ Compton thì photon sẽ mắt đi một phần năng lượng và sẽ bị lệch phương so với ban đầu. Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng tạo cặp xảy ra khi năng lượng của tia gamma lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron (1022 keV) lan truyền trong môi trường vật chất, vùng lân cận của hạt nhân nguyên tử thì có thê xảy ra hiệu ứng tạo cặp electron và positron. Dé xảy ra quá trình tạo cặp thì năng lượng tới của photon phải lớn hon năng lượng nghỉ của hai hạt và tuần theo định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng.
Đôi với các photon có năng lượng lớn hơn 1022 keV, quá trình tạo cặp là phương thức chiếm ưu thể của tương tác photon với vật chất. Những tương tác này lần đầu tiên được quan sát thay trong buông mây được tim thay bởi Patrick Blackett, ông được trao giải Nobel Vật lý năm 1948. Suy giảm tia gamma Sự suy giảm của một chùm tia gamma hẹp đi qua một lớp vật liệu đồng nhất được đặc trưng bởi hệ số suy giảm. Hệ số này càng cao thì suy giảm càng nhanh.
Hệ số suy giảm là thước đo xác suất tương tác của tia gamma với vật chất, tương tác với vật chất càng nhiều thì năng lượng mat mát càng lớn. Các hiệu ứng như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton va hiệu ứng tạo cặp đồng thời cùng đóng góp vào hệ số suy giảm. Thường có một xác suất đáng kẻ là tia gamma truyền đi một khoảng cách tương đối lớn mà không tham gia vào bat kỳ tương tác nào. Kết qua là bức xạ gamma vừa xuyên thấu hơn vừa khó dừng hơn so với bức xa alpha hoặc beta.
Xác suất tương tác của tia gamma với hạt nhân có số Z lớn thì cảng cao. LkeV 1 MeV 1keV 1 MeV Nang lượng Photon Hình 1. Suy giảm tia gamma trong vật liệu cacbon va chi [18] Trong Hình 1.4, đối với vật liệu có số nguyên tứ Z lớn như chi thì suy giảm chùm tia gamma sẽ lớn hơn là nguyên tử có số Z nhỏ như cacbon. Bởi vì những nguyên tử có Z càng lớn thì lớp điện tử xung quanh hạt nhan sẽ dày đặc hơn so với những nguyên tử có Z nhỏ.
Tiết diện tán xa Rayleigh và tiết diện hap thụ quang điện trong cacbon chỉ xảy ra ở mức năng lượng 20 keV. Trong khi đó, đối với hạt nhân chì có tiết điện tán xạ Rayleigh xảy ra ở vùng năng lượng 600 keV. Khi tia gamma đi vào môi trường vật chất. khả năng tương tác với lớp điện tử xung quanh hạt nhân có số Z lớn sẽ cao hơn nên chùm tia gamma khi đi vào trong vật liệu có số Z lớn sẽ bị hap thụ nhiều hơn.
Phương pháp gamma truyền qua 1. Hệ số đóng góp B Khi chùm bức xạ gamma đi qua vật chất thì bức xạ gamma sẽ giảm theo công thức (1.3) với điều kiện hình học tốt như bẻ dày của chất hap thụ có bé day mỏng và các chùm bức xạ song song. I = lạ e~t#mPX (13) Trong một số điều kiện hình học có bê dày vật liệu hap thụ tương đối lớn và các bức xạ gamma phân kì thì công thức (1.3) không còn phù hợp nữa, do đó cần phải chỉnh sửa bang cách thêm vào công thức trên một hệ số đóng góp B [12]: = In Be tm?P* (1. Hé sé đóng góp phụ thuộc vào năng lượng của bức xa gamma và vật liệu.
Khi bức xạ gamma đến vật liệu bia sẽ gây ra các tương tác như tán xạ compton và tán xạ Rayleigh và sinh ra các bức xạ gamma thứ cấp. Các bức xạ thứ cấp này đi đến đầu dd và không thê phân biệt so với bức xạ gamma bị suy giảm. Các nguyên nhân sinh ra tán xạ thứ cấp: © Tan xạ trong vật liệu bia; © Tan xạ trong không khí; 3° Tán xạ với vật liệu chế tạo đầu dò; © Tan xạ với vat liệu chê tạo nguồn và vật liệu che chan. Vì hệ số đóng góp nảy phức tạp nên trong đo thực nghiệm thường ưu tiên việc sử dụng chùm tia song song và hẹp.
Dé tạo ra chùm tia song song và hẹp thì cần phải chuẩn trực bằng chì có đường kính trong nhỏ và bê day đủ lớn. Ngoài ra, để có thể hạn chế thành phan tán xạ nhiều lần đến đầu dò thì ta sử dụng ống chuẩn trực dau dò. Trong bài toán mô phóng, chúng tôi sử đụng hai khối chuẩn trực nguồn và chuẩn trực đầu đò có đường kính trong lần lượt 0,251 em và 0,502 em. Do đóng góp của thành phan thứ cấp nhỏ hơn nhiều so với trước khi chưa đóng góp nên xem hệ số tích lũy bằng 1.
Phương pháp gamma truyền qua Khi một chùm tia photon được phát ra từ đồng vị phóng xạ đi vào đầu dò, bức xạ gamma tương tac với các clectron bên trong vật liệu, một số photon có khả năng bị hap thụ hoặc bị tán xạ với các electron trong môi trường. Dựa vào sự suy giảm chùm tia photon khi đi qua mẫu, phương pháp gamma truyền qua được sứ dụng dé tim môi liên hệ cường độ chùm tia với mật độ. Mỗi liên hệ giữa số đếm được ghi nhận từ dau đò được bỗ trí thí nghiệm ở Hình 1.5 với khi không có mẫu là No và khi có mẫu là N, tuân theo công thức 1.5 [11]: Chuan tri dav db Tinh thé Nal(Th) ¥ Vật liệu Ông nhân qaang điện Võ ahéen Hình 1. Mô hình phương pháp gamma truyền qua N = Np ented (1.5) trong đó; d là bề dày của gỗ (cm); Ht, là hệ số hap thụ tuyến tính (em? g}), Hệ số suy giảm tuyến tính thay đôi theo thành phan vật chất và mật độ.
Sự phụ thuộc của nguyên tử Z chiếm ưu thế va sự thay đối thành phần hóa học của nguyên liệu gây ra sự thay đôi của hệ số suy giảm tuyến tính ngay cả đối với các loại vật liệu có cùng khối lượng riêng. Ở năng lượng cao thì sự phụ thuộc của hệ số suy giảm tuyến tính vào mật độ là chiếm ưu thé hơn. Hệ số suy giảm tuyến tính được tính như sau: H, 2Í X.6 Đặc tính của hệ số suy giảm tuyến tính phải được xác định độc lập với tỉ trọng của nó. Đối với môi trường xốp như gỗ, hệ số suy giảm tuyến tính là một hàm của khối lượng riêng và hàm lượng nước trong vật liệu đó theo phương trình [S]: Hy = Ha Py FO bine (1.7) trong do: It,, là hệ số suy giảm khối của gỗ: Umw hệ số suy giảm khối của nước; p, (gem”) là mật độ tương ứng mỗi loại gỗ: @ là hàm lượng nước có trong gỗ.
10 Trong bài toán mô phỏng, mẫu gỗ đang xét được say khô và không lẫn nước nên 0=0. Phương trình (1.